3 爆轰波的流体力学理论2

3.8 聚能效应3.8.1 聚能效应的基本现象20世纪50年代以来，各国学者都在探求爆炸产物的有效利用问题。

与前面介绍的爆炸作用不同，聚能效应是通过利用特殊形状的装药来达到提高其局部爆炸破坏作用的目的。

随着测试手段的科学化和现代化，瞬时高压作功的物理过程能够得以揭示，炸药爆炸的聚能效应也就逐渐得到了广泛的应用。

目前，聚能装药在战时被广泛应用于各种穿甲、破甲雷弹及战时破坏作业（如大型桥梁、建筑物的破坏）；在平时用于快速切割金属（如打捞沉船等）、在硬土或冻土中快速穿孔、破碎孤石（悬石和危石）、在抢险救灾中快速清除障碍物（陆上或水中障碍物，如楼房、桥梁、树木等）、利用线性聚能装药拆除大型钢结构建筑物、桥梁以及切割贵重石材等。

根据爆轰产物沿其外法线方向散射这一基本规律，在装药底部或一侧予留空穴（如锥形、半球形、线形、抛物形、双曲线形等），或再加药型罩并取适当炸高（从聚能药包的底面（即药型罩底面）到穿孔目的物间的距离），爆炸时，由于空穴的存在，从而产生冲击、高压、碰撞、高密度、高速运动的气体流或金属流（带金属罩时），就可使爆炸能量沿轴线方向向外射出较高能量密度的聚能流，并集中到一定方向上发挥作用。

这种利用装药一端（侧）的空穴使爆轰产物聚集、增加能量密度、以提高局部破坏作用的现象称为聚能现象，其效应称为聚能效应或空心效应，又称诺尔曼效应。

能形成聚能流的装药称为聚能装药，其装置为聚能装置。

聚能效应是外部装药爆炸直接作用的一种特殊情况（非接触爆破），其作用在于使爆炸能在一定的方向集中起来，从而使爆炸的局部破坏效应增强。

其主要特点是：装药底部（或一侧）有空穴；装药底面（或一侧）与目标间有一最有利距离；破甲能力很强。

有空穴是其基本特点，也是形成聚能效应的基本条件。

聚能装药爆炸后，具有高温、高压的爆轰产物沿装药表面法线方向迅速散射时，在空穴影响下，必然在空穴前方汇集于一点（线性装药汇集成一线），此点（线）处的爆轰产物密度可增大数倍，速度可达每秒万米以上，温度可达数千摄氏度，压力可达几十兆帕。

若空穴外壳采用金属药型罩，则会形成密度更大、压力更高的射流。

在这种高温高压高速射流作用下，目标可视作流体，对目标具有很大的穿透能力，达到穿孔或切割的目的。

不同的装药形式具有不同的破坏效果。

对于普通无空穴的园柱体装药，爆炸后爆轰产物近似沿装药表面法线方向散射，其速度一般为每秒数千、压力数量级一般为1×104MPa；当装药一端制成锥形空穴起爆后，爆轰产物质点以一定速度沿近似垂直于锥形空穴表面的方向向药柱轴线汇聚，使能量集中，此处聚能流速度高达每秒万米以上，密度比普通装药大4~5倍，高压的爆轰产物在沿轴线汇聚时，形成更高的压力区，比普通装药高10余倍，这种高压迫使爆轰产物向周围低压区膨胀，使能量分散。

由于上述两个因素的综合作用，气流不能无限地集中，而在离药柱端面某一距离处达到最大的集中，以后又迅速飞散开了。

也就是气流在聚能过程中，动能（约占总能量的1/4）是能够集中的，而位能（约占3/4）不但不能集中，反而起飞散作用。

如果设法把能量尽可能转化成动能形式，就能进一步提高能量的集中程度。

提高的方法是在空穴内表面嵌装一个形状相同的药型罩。

这种装药形式的爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，将能量传递给金属罩。

由于金属罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的极大部分表现为动能形式，这样就可避免由于高压膨胀引起的能量分散而使能量更加集中，形成一束速度和动能比气体射流更高的金属射流。

研究表明，由于金属流速度高，直径小，金属呈热塑状态，密度远比爆轰产物高，因此,有药型罩的聚能效应必然比无药型罩的聚能效应明显增加，从穿透深度上看可增加15~20倍。

例如，用同等药量的不同装药形式对中碳钢靶板进行爆炸破坏深度试验（图3-23），从表3-4的试验结果可以看出，不同形状的药柱引爆后，其穿透钢板的作用效果是不同的。

表3-4 黑梯50/50的药柱对靶板的破坏深度3.8.2 聚能装药的类型常见的聚能装药主要分为四种类型（如图3-24所示）,即轴对称轴向聚能装药、轴对称侧向聚能装药、轴对称径向聚能装药和面对称聚能装药。

（1）轴对称轴向聚能装药 该类型聚能装药主要用于隧道掘进、大块岩石破碎、排除哑炮、清除水下块石和构筑物、处理溜井卡塞和采场悬石及平炉出钢口堵塞的处理等。

轴对称轴向聚能装药有多种空穴形状，如小锥角形、大锥角形、半球形、抛物线形、双曲线形、圆弧形（主要用于军事工业）等。

对于作用钢板和坚硬岩石的聚能装药，很多资料认为锥形金属罩比较好，因为它的速度大，对穿孔有利。

（2）轴对称侧向聚能装药该类型聚能装药主要用于石材开采，光面、预裂爆破（即隧道周边眼爆破），定向断裂控制爆破，露天浅孔边坡爆破，矫正石油钻孔弯斜等。

dc b a 124563dcba主要类型有：轴对称侧向双面聚能切割装药、条形双侧向聚能装药、圆柱形双侧向聚能装药、侧向聚能复合型装药等。

（3）轴对称径向聚能装药该类型聚能装药主要用于石油工业压裂、震松岩石、破坏孔壁、切断直径1m 以上岩心柱，处理孔内卡、埋钻事故，震松套管柱或炸断套管柱，以及切割混凝土柱等。

主要类型有：径向内圆聚能装药（切割器）、径向外圆聚能装药、径向聚能切割装药、射孔－压裂复合装药、径向聚能复合装药等。

（4）面对称聚能装药该类型聚能装药主要用于金属的聚能切割方面，如打捞沉船、切割废旧钢铁制品、拆除爆破切割钢梁、深井内切割井管等。

主要类型有：线型切割装药、面对称切割装药和线型弹丸装药等。

目前这三种切割装药中以线型聚能切割装药应用最广，也最容易掌握。

3.8.3 聚能效应的基本原理 3.8.3.1 轴对称轴向聚能效应在普通药柱的一端沿轴向开一个凹槽，该凹槽即为轴对称轴向聚能穴，其原理如图3-25所示。

当装药爆炸时产生的柱状爆轰产物到达聚能槽（穴）内两翼面时，爆轰产物将改变原来的运动方向，爆轰波阵面后的爆轰产物表层某一分子m 受两种力作用：第一种力是爆生气体的膨胀力，它垂直于翼面，使分子m 垂直翼面以速度v 运动；第二种力为后面分子的推挤力，它垂至于波阵面，使分子m 以速度μ运动。

因此，爆轰产物的表层分子m 运动速度为两个速度的向量和，即：→→→+=μνV （3-47）所以，爆炸产物的最大作用方向，即速度V 的方向，它偏离翼面法线一个很小的角度γ,一般 10~7=γ，由于无数个射流微元按10~7的角度互相聚合，结果形成射流，如图3-26（d ）、（e ）所示。

这个角γ称为射流聚合角，或称为爆炸能辐射角之半。

射流微元在距凹槽底部一定距离处发生最大聚合点，此点称为聚能射流的焦点。

焦点距凹槽底部的距离称为焦距。

当障碍物距凹槽底部的距离超过焦距后，由于爆炸产物的侧向飞散，射流的能量密度降低，聚能效应将迅速衰减，甚至消失。

因此，在焦点附近聚能效应最显著，破坏力最大。

其焦距可按下式计算：)}cos(/]sin )cos({[sin tan γαγγααβ+++=b R （3-47）式中，b －聚能槽翼宽；α－聚能槽顶角之半； β－压跨角。

总之，由于爆炸产物以速度V 在凹槽内的对称方向互相碰撞聚合，爆炸产物流比朝其它方向飞散的爆炸产物具有更高的速度和密度，形成一个具有一定厚度，能量密度极高的能流面。

图3-25 聚能射流原理图3.8.3.2 轴对称侧向聚能装药轴对称金属罩聚能穴在炸药爆炸时，爆轰产物在几乎垂直于聚能穴表面的方向飞出并与融化后的聚能罩一起形成穿透力很强的高速金属聚能流。

聚能流在交点处获得最小的剖面和最大的能流密度与速度，金属聚能流的能量密度比爆轰波的能量密度高一个数量级。

根据这一原理，可设计侧向聚能竖向切割器，把轴向聚能变为侧向聚能，把聚焦点变为聚焦竖向（或横向）直线，且聚焦直线最好能位于待爆物壁内。

轴对称侧向聚能装药爆炸作用过程的原理如图3-27所示。

聚能药包起爆后，爆轰波与金属聚能罩作用，形成两股“刀型”金属射流，金属射流“刃部”速度可达数千米，与介质（炮孔壁）碰撞，在介质内形成一定深度的切割裂缝，爆炸应力波和爆生气体准静态压力进一步扩展聚能切割裂缝。

3.8.3.3轴对称径向聚能装药根据轴对称金属罩聚能穴的爆炸作用原理，可以设计径向聚能平面切割器，把轴向聚能变为径向聚能，把聚焦点变为聚焦圆环线，且聚焦圆环最好能位于待爆物内壁。

3.8.4.4面对称线型聚能装药a －引爆前；b －产生射流；c －射流切割与动压作用；d －裂缝扩展与止裂图3-27 轴对称侧向聚能装药爆炸作用的原理（a ） （b ） （c ） （d ） （e ）图3-26 聚能装药示意图a ―起爆前的药柱；b 、c 、d －射流形成过程；e －射流形成过程放大1—雷管；2—起爆药柱；3—装药；4—聚能罩；5—崩落圈；6—杵体；7—聚能射流；8—焦点是400KV脉冲X光机，从平行和垂直于对称平面两个方向上拍摄得到的线型聚能装药射流照片示意图。

3.8.4影响聚能效应的因素工程爆破采用聚能装药，主要是利用它的强大聚能射流来破碎和切割岩石、混凝土和金属这样一类的硬材质，或者在其中进行穿凿炮孔。

为了提高爆破效果，要求聚能装药应具有足够的聚能效应，而影响聚能效应的因素很多，在制作和使用聚能装药时，必须对这些因素有所了解。

（1）炸药性能：炸药是聚能爆破的能源，因此炸药的性能是影响聚能效应的根本因素。

为了提高装药的聚能效应，必需选用爆速较高、猛度较大的炸药。

炸药选定后，还应尽量提高装药的密度。

（2）装药尺寸及形状：装药的高度一般取H = h + r （h为药型罩高；r为药柱半径或宽度）；其形状一般做成柱形（穿孔、破碎用）或直列形（切割用）。

为减少装药量，装药断面两肩通常削去一部分（见图3-30）。

（3）药型罩：①药型罩材料：从穿透能力角度考虑应选择密度大的材料，如美国在海湾战争和科索沃战争中使用的贫铀弹之所以穿透能力极大（1997年美国部署的B61-11钻地核弹可钻于地下15.24m），就是因为用贫铀（U-238，密度可达18.7g/cm3）合金制成的聚能罩具有高密度、高强度的特点。

工程爆破中使用的药型罩可以是金属（生铁、紫铜、钢、铝等），也可以是非金属（玻璃钢、陶瓷等），但其侵彻能力没有金属的大。

图3-30 聚能装药结构示意图h k—炸高； —聚能槽（穴）顶角之半② 药型罩形状：选取药型罩形状时，应考虑它的聚能效果要好、形状简单和加工方便。

根据试验结果来看，药型罩的形状可以是多种多样的：有轴对称型（图3-31a ），如圆锥形、半球形、半椭球形、抛物线形、双曲线形和嗽叭形等；面对称型（楔形罩，图3-31b ），这类罩有直线形和环状线形，前者炸药爆炸时能产生一长条形聚能射流，多用于切割金属板材，后者能产生一圆环形聚能射流，多用于切断金属管材；中心对称型（图3-31c ），这种球形聚能装药，中心有球形空腔和球形罩，球形罩外表敷装炸药，若让它同时起爆，在空腔中心点可获得极大的能量集中。